探析IV型胶原在糖尿病肾病中的作用

糖尿病肾病（Diabetic nephropathy，DN）是糖尿病（Diabetes mellitus，DM）最常见和最严重的慢性并发症，且随着病程的延长进行性加重，也是造成DM 病人死亡的主要原因之一。DN 典型的病理改变是肾小球硬化，其组织学特征是肾小管和肾小球基底膜增厚，系膜基质（ECM）扩张、肾肥大以及肾小管间质纤维化[1]。而基底膜和ECM 由胶原、非胶原糖蛋白和蛋白多糖构成，在胶原成分中，最重要的是IV 胶原蛋白。IV 型胶原是典型的基质胶原，可由活化的肾小球系膜细胞、内皮细胞、上皮细胞、肾小管上皮细胞等合成和分泌。故IV 型胶原的合成和分泌增多及降解减少是许多肾脏疾病发展、ECM 积聚、终至肾小球硬化和肾间质纤维化的主要原因或重要参与因素之一。本文作者就IV型胶原分子结构、分布、生物功能在糖尿病肾病发展过程中的作用作一简要概述。

1 IV 型胶原的分子结构

IV 型胶原是基质胶原，属非纤维胶原。IV 型胶原分子由3 条α 肽链组成，为3 股螺旋结构。除中央螺旋区外，其氨基端为7S 区，羧基端为终端膨大的非胶原NC1 区。IV 型胶原长约400 nm，直径约1.5 nm，分子量为549.8 ~599.8 KD。每条α 链约含1 700 个氨基酸残基，其中主要为胶原性氨基酸，即甘氨酸、脯氨酸、羟脯氨酸和羟赖氨酸，在肽链中组成重复的G–X–Y 序列。但IV 型胶原肽链中的G–X–Y 重复不象其他胶原分子（I 型胶原、III 型胶原）具有那么强的连续性，而且在有的片段，如肽链的羧基末端基本上没有G–X–Y 序列根据肽链本身和氨基酸组成物性不同，IV 型胶原α 链可分为3 个结构域：① 7S 结构域，长约60 nm，该区域富含二硫键，区域中有一相对于羧基末端的非胶原氨基酸片段（NC2）；②胶原区域: 由914 个氨基酸组成，序列中主要是重复的甘氨酸–X–Y，但常被2–11 个氨基酸长度的非胶原氨基酸所打断，从而有较强的柔韧性；③非胶原羧基末端区域（NC1)：主要由非胶原氨基酸组成，含12 个半胱氨酸残基，可自身形成二硫键，使该区域呈球状。目前分离得到的单肽链依其一级结构不同，可分为α1（IV）型胶原链[ 简写为α1（IV）] 和α2（IV）、α3（IV）、α4（IV）、α5（IV）、α6（ IV） 六条[2]。对α链的研究主要集中在NC1 结构域。目前所认识这6条不同α 链之间区别主要也是在NC1 结构域。由于IV 型胶原分子的基因产物不须经任何细胞内加工修饰即可构成完整的IV 型胶原分子，不同IV 型胶原α 链的基因分布可能有特殊的病理意义。令人感兴趣的是，编码基因位置的不同并没有使其基因编码产物的结构序列产生大的差别，不同的α 链反而有较强的同源性[α1（IV）、α3（ IV）、α5（IV）的氨基酸序列相似，而α2（IV）、α4（IV）、α6（IV）相似]，表现为近似的理化性质。α1（IV）、α2（IV）链构成经典IV 型胶原分子，即三聚体[α1（IV）]、α2（IV），而α3（IV）和α6（IV）只构成IV 型胶原的异构型。α 链在形成空间三级螺旋和大分子后，不同α 链组成却显示出较大差异，由此直接影响着IV 型胶原大分子的结构和功能。在α 链三级螺旋的基础上，2 条多肽链以NC1结构域相互融合的方式形成二聚体，又进一步以7S结构域平行连接的方式形成四聚体，最后两个四聚体7S 结构域再平行连接，借稳定的二硫键和醛基形成IV 型胶原大分子交叉网络状结构。

2 IV 型胶原的分布与生物学功能

IV 型胶原大分子α 链有特定的组织分布。α1（IV）和α2（IV）出现在所有的基膜，肾小球基底膜和肺基膜中α3（IV）含量高，α4（IV）链同样分布在肾小球基底膜，在肾小球基底膜和晶状体前囊基膜中α5（IV）含量高，α6（IV）在肾内也存在，但在食道中含量更高, 这种特定的组织分布可能对于组织结构作功能维持具有重要的意义，如α3（ IV）、α4（IV）、α5（IV）、主要分布在肾小球基底膜、前晶状体和视网膜。另一方面，这种分布也将导致同1 病理状态下不同部位基膜损伤程度的差异，且可能出现某些链的改变而只累及1 个器官。应用免疫组化方法发现IV 型胶原各α 链在肾组织中的分布具有高度选择性。α1（IV）及α2（IV）分布于所有基底膜结构中，而在肾小球内主要分布于肾小球基底膜内皮侧，系膜基质及包氏囊基膜中；α3（IV）及α4（IV）主要分布在肾小球基底膜和远端小管基膜；α5（ IV）除分布于肾小球基底膜、包曼氏囊基膜外，还分布于远端小管及集合管基膜中；而α6（IV）则分布于包氏囊、远端小管及集合管基膜中。

3 IV 型胶原与糖尿病肾病

3.1 病理特点 糖尿病肾病的基本病理改变是以肾基底膜增厚和以肾小球系膜区为主的细胞外基质积聚，导致弥漫性或结节性肾小球硬化，出现蛋白尿、肾功能衰竭等[3] 。而基底膜和细胞外基质ECM增多为糖尿病肾病主要病理改变，造成肾小球硬化，ECM 包括Ⅲ型胶原蛋白、IV 型胶原蛋白、蛋白多糖层粘连蛋白、纤维连接蛋白。IV 胶原蛋白是ECM 主要胶原组成成分，在糖尿病肾病肾脏病变中起重要作用。细胞外基质主要由胶原、非胶原糖蛋白和蛋白多糖构成，在胶原成分中，最重要的是IV 型胶原是糖尿病肾病时ECM 增殖的主要成分，与正常肾脏和原发肾脏增殖性病变不同，主要沉积在肾小球、肾小管基底膜和鲍曼囊。由于其合成与降解代谢不平衡，造成肾小球硬化的发生、进展，在早期是以合成增加为主，晚期则是降解减慢。

3.2 临床意义 糖尿病肾病早期的基本病［文章来源于 www.qwen.cn］理改变为肾小球肥大、基底膜增厚和系膜区域扩大，临床上以尿白蛋白（albumin，Alb）作为诊断DN 的主要指标，而事实上DN 患者在正常白蛋白尿期已发生了肾脏的结构改变，即基底膜增厚和系膜区域扩大，因此研究能够发现此期肾脏结构改变的检测指标将在临床工作中发挥重要的作用。

近年来关于Ⅳ型胶原与DN 肾小球硬化关系的研究已日益受到人们的关注。有文献报道，血中IV 胶原蛋白含量与糖尿病病程、血糖控制程度及UAER 相关，肾小管间质IV 胶原蛋白在糖尿病早期就会受到刺激而合成增加，尿中IV 胶原蛋白的异常程度可以反映肾小球基底膜和肾小管间质损害程度及肾间质IV 胶原蛋白集聚范围。姚丽等[4] 通过一步夹心酶联免疫吸附法检测健康成人和糖尿病患者尿Ⅳ型胶原水平，并与尿Alb 的排泄情况进行比较，以探讨尿Ⅳ型胶原在DN 早期肾损害中的诊断意义，得出结果正常白蛋白尿组尿Ⅳ型胶原水平明显高于正常对照组（P < 0.01）；微量白蛋白尿组和大量白蛋白尿组尿Ⅳ型胶原水平明显高于正常白蛋白尿组（P 均< 0.01）；尿Ⅳ型胶原水平与尿白蛋白及病程之间存在显著的正相关，说明DN 存在着胶原代谢的异常。尿Ⅳ型胶原在DN 肾损害早期明显增高，并随病情进展持续性增高，尿Ⅳ型胶原可以作为DN 早期诊断的指标之一。周淑红等[5] 通过实验发现发现，2 型糖尿病患者血清Ⅳ–C、尿Ⅳ–C 水平均明显高于正常对照组，说明2 型糖尿病患者存在着胶原代谢的异常。王露等[6] 对78 例2 型糖尿病患者血清Ⅳ–C 分别与反映肾脏功能的各项指标的相关性分析显示，血清Ⅳ–C 水平与与病程、尿素氮（BUN）、肌酐（Cr）、UAER 呈高度正相关。许美伦等[7] 研究结果显示，DN 患者血清Ⅳ–C 明显高于正常人群和无肾病的糖尿病患者（正常蛋白尿组），且临床蛋白尿的糖尿病患者血清Ⅳ–C 明显高于微量蛋白尿的糖尿病患者，提示血清Ⅳ–C 水平的变化与DN 病情密切相关，可以反映不同程度的肾脏病变。

文献中对2 型糖尿病患者的前瞻性研究也发现，在尚未发现的DN 患者，如果存在血中高水平的Ⅳ–C，则在3~4 年后发现DN 的机会更大[8] 。

4 讨 论

DN 的发生机制较为复杂，可能与代谢异常，血流动力学障碍或遗传因素有关。大量研究表明，IV型胶原作为基底膜和ECM 的主要成分，与DN 的发生发展有密切关系。在DN 的发生和发展过程中，伴有Ⅳ型胶原合成或降解异常，因此对IV 型胶原的研究可提高对DN 发病机理的认识，对DN 的诊断、防治具有重要意义。今后可考虑将Ⅳ型胶原作为DN 发展的预报因子，结合临床做进一步研究。

【参考文献】

1〕 National Kidney Foundation. Kidney Disease OutcomeQuality Initiative. K/DOQI clinical practice guidelinesfor chronic kidneydisease:evaluation, classification,andstratification〔J〕. AmJ Kidney Dis, 2002, 39(2 Suppl 2):S1-246

〔2〕 Laping NJ. Hepatocyte growth factor: a regulator ofextracellular matrix genes in mouse mesangial cells〔J〕.Biochem Pharmacol, 2000, 59: 847

〔3〕 Wtanabe H, stanada H, shigetomi S, et al. Urinary excretionof type IV collagenas a specific in dicator of the progressionof diabetic nephropathy〔J〕. Nephrol, 2000, (86):27-35

〔4〕 姚丽, 付延红, 王力宁, 等. 尿Ⅳ型胶原检测对早期糖尿病肾病临床诊断意义的研究〔J〕. 中国医科大学学报,2003, 32(4): 350-352

〔5〕 周淑红, 倪安民, 郭倩. 2 型糖尿病肾病患者尿Ⅳ型胶原检测的临床意义〔J〕. 中国糖尿病杂志, 2003,11 (5):374-376

〔6〕 王露, 王平, 李永培. 血清Ⅳ型胶原和层粘连蛋白在2型糖尿病肾病中的临床价值〔J〕. 中华核医学杂志, 2004,24(1): 42-43

〔7〕 许美伦, 刘伟芳, 吴伟琼, 等. 糖尿病肾病患者血清Ⅳ型胶原层粘连蛋白水平变化及干预治疗观察〔J〕. 中国基层医药, 2005, 12(2): 133-134

〔8〕Okazaki R, Matsuoka K, Atsumi Y. Serum concentration ofbasementmembrane proteins in NIDDM as a prognostic markerfor nephropa2thy〔J〕. Diabetes Res Clin Pract, 1995, 27(1): 39